Los tilacoides vegetales están encapsulados en microgotas de aproximadamente 90 micrómetros de diámetro. Equipado con un conjunto de enzimas, los cloroplastos semisintéticos fijan dióxido de carbono utilizando energía solar, siguiendo el ejemplo de la naturaleza. Crédito:Instituto Max Planck de Microbiología terrestre / Erb
Durante miles de millones de años los microorganismos y las plantas desarrollaron el notable proceso que conocemos como fotosíntesis. La fotosíntesis convierte la energía solar en energía química, proporcionando así alimento y oxígeno a toda la vida en la Tierra. Los compartimentos celulares que albergan las máquinas moleculares, los cloroplastos, son probablemente los motores naturales más importantes del mundo. Muchos científicos consideran que reconstruir y controlar artificialmente el proceso fotosintético es el "proyecto Apolo de nuestro tiempo". Significaría la capacidad de producir energía limpia, combustible limpio, compuestos de carbono limpio como los antibióticos, y otros productos simplemente de luz y dióxido de carbono.
Pero cómo ganarse la vida célula fotosintética desde cero? La clave para imitar los procesos de una célula viva es hacer que sus componentes trabajen juntos en el momento y lugar adecuados. En la Sociedad Max Planck, Este ambicioso objetivo se persigue en una iniciativa interdisciplinaria de laboratorios múltiples, la red MaxSynBio. Ahora, el equipo de investigación de Marburg dirigido por el director Tobias Erb ha logrado crear con éxito una plataforma para la construcción automatizada de compartimentos fotosintéticamente activos del tamaño de una célula. "cloroplastos artificiales, "que son capaces de capturar y convertir el dióxido de carbono del gas de efecto invernadero con la luz.
La microfluídica se encuentra con la biología sintética
Los investigadores de Max Planck hicieron uso de dos desarrollos tecnológicos recientes:la primera biología sintética para el diseño y construcción de nuevos sistemas biológicos, como redes de reacción para la captura y conversión de dióxido de carbono, y segundos microfluidos, para el montaje de materiales blandos, como gotas del tamaño de una celda.
"Primero necesitábamos un módulo de energía que nos permitiera impulsar reacciones químicas de manera sostenible. En la fotosíntesis, las membranas de cloroplasto proporcionan la energía para la fijación de dióxido de carbono, y planeamos explotar esta habilidad ", Tobias Erb explica.
Producción de microgotas y observación en tiempo real en una plataforma de microfluidos. Las microgotas se recolectan en una cámara donde su actividad se puede monitorear microscópicamente en tiempo real, incluida la cuantificación de la actividad enzimática midiendo la fluorescencia de NADPH. Usando el campo brillante se localizan las gotas y se pueden ver las membranas fotosintéticamente activas. Estas membranas son fluorescentes cuando se excitan. Las poblaciones de gotitas se distinguen utilizando un colorante de codificación, que es observable cuando las gotas son excitadas por una longitud de onda específica (550 nm). La producción de NADPH de las gotas se observa usando fluorescencia NADPH (usando, 365 nm). Crédito:Instituto Planck de Microbiología terrestre / Erb
El aparato de fotosíntesis aislado de la planta de espinaca demostró ser lo suficientemente robusto como para que pudiera usarse para impulsar reacciones únicas y redes de reacción más complejas con luz. Por la reacción oscura los investigadores utilizaron su propio módulo metabólico artificial, el ciclo CETCH. Consiste en 18 biocatalizadores que convierten el dióxido de carbono de manera más eficiente que el metabolismo del carbono que ocurre naturalmente en las plantas. Después de varias rondas de optimización, el equipo logró la fijación con luz controlada del gas de efecto invernadero CO 2 in vitro.
El segundo desafío fue el montaje del sistema dentro de un compartimento definido a microescala. Con vistas a futuras aplicaciones, también debería ser fácil automatizar la producción. En cooperación con el laboratorio de Jean-Christophe Baret en el Centre de Recherché Paul Pascal (CRPP) en Francia, Los investigadores desarrollaron una plataforma para encapsular las membranas semisintéticas en gotitas parecidas a células.
Más eficiente que la fotosíntesis de la naturaleza.
La plataforma de microfluidos resultante es capaz de producir miles de gotitas estandarizadas que pueden equiparse individualmente de acuerdo con las capacidades metabólicas deseadas. "Podemos producir miles de gotitas equipadas de forma idéntica o podemos dar propiedades específicas a gotitas individuales, "dijo Tarryn Miller, autor principal del estudio. "Estos se pueden controlar en el tiempo y el espacio mediante la luz".
En contraste con la ingeniería genética tradicional en organismos vivos, el enfoque de abajo hacia arriba ofrece ventajas decisivas:se centra en el diseño mínimo, y no está necesariamente ligado a los límites de la biología natural. "La plataforma nos permite realizar soluciones novedosas que la naturaleza no ha explorado durante la evolución, "explica Tobias Erb. En su opinión, los resultados tienen un gran potencial para el futuro. En su publicación en la revista Ciencias , los autores pudieron demostrar que equipar el "cloroplasto artificial" con las nuevas enzimas y reacciones dio como resultado una tasa de unión del dióxido de carbono que es 100 veces más rápida que los enfoques biológicos sintéticos anteriores. "A largo plazo, Los sistemas similares a la vida podrían aplicarse a prácticamente todas las áreas tecnológicas, incluida la ciencia de los materiales, biotecnología y medicina:solo estamos al comienzo de este emocionante desarrollo ". los resultados son un paso más hacia la superación de uno de los mayores desafíos del futuro:las concentraciones cada vez mayores de dióxido de carbono atmosférico.
